본격 핵융합실험 2~3년후에나 가능

지난해 개발 완료 'KSTAR' 대대적 설계 변경 필요

1회 20초만 가동할수있는 '사용허가' 상태

중수소 이용한 실험은 추가 안전조치 있어야

과학계 "삼중수소 핵융합은 애초에 배제" 비판

핵융합 연구의 핵심인 삼중수소 핵융합실험을 위해서는 인공태양이라 불리는 KSTAR의 대대적인 설계 변경이 필요한 것으로 확인됐다. 사진은 KSTAR 진공용기 내부 모습. 서울경제 DB

지난해 개발 완료된 'KSTAR', 삼중수소 핵융합 성사되려면 재설계 수준으로 크게 고쳐야

지난해 개발이 완료된 국가 핵융합 장치 '케이스타(KSTARㆍ차세대 초전도핵융합연구장치)'가 연구목표를 달성하기 위해서는 사실상 '재설계' 수준으로 뜯어고쳐야 한다는 사실이 확인됐다.

현재 KSTAR가 1회 가동할 수 있는 시간이 20초에 불과해 최종목표인 300초의 중수소(D+D) 핵융합 반응을 실험하기 위해서는 설계를 변경해야 하기 때문이다. 또 현재로서는 수소를 이용한 플라즈마 발생만 가능, 본격적인 핵융합 실험인 중수소 핵융합 반응까지는 수 년의 시간이 더 필요할 전망이다.

◇본격적인 핵융합, 2~3년 후에나=현재 정부는 '' KSTAR 가동을 추진 중이다. 그러나 이 범위는 사실상 장비를 '', 본격적인 핵융합 실험으로 평가되는 중수소 핵융합은 2~3년 뒤 보다 높은 수준의 허가 사항인 '' 이후에나 이뤄질 전망이다.

KSTAR가 운신의 폭이 극히 좁은 이유는 '방사선 발생장치'로 규정돼 있기 때문. 쉽게 말해 병원에서 쓰이는 '엑스레이'와 같은 장비로 취급되고 있다.

KSTAR 관련 허가를 위한 기술검토를 관장하고 있는 원자력안전기술원(KINS)의 한 관계자는 "설계 내용 등을 검토한 결과 1회 20초간만 가동할 수 있는 '사용허가'만이 나온 상태여서 아직까지는 수소 플라즈마만 발생시킬 수 있다"며 "중수소를 이용한 본격적인 핵융합은 '시설검사'를 마친 이후로 규정해 놓은 상태"라고 말했다.

반면 과학계는 중수소를 이용하는 실험단계 이후를 핵융합 반응으로 보고 있어, 수소만을 이용하는 현 상태는 핵융합이 아니라고 지적하고 있다. 정부의 판단 착오로 더뎌지고 있는 KSTAR의 발걸음이 답답하고 아쉽다는 비판이다.

여기에 1회 20초씩 연간 총 1,000회(약 5.5시간)로 한정된 가동시간을 늘리는 위해서는 설계변경이나 추가 안전조치 등이 이뤄진 후 과기부를 통해 또 다시 '사용허가 변경'이 이뤄져야 한다.

◇삼중수소 핵융합 불가능=KSTAR가 핵융합 발전에 적용할 수 있는 연구성과를 도출할 가능성도 매우 희박한 상황이다. 핵융합 연구의 핵심인 '' 핵융합 실험을 사실상 배제하고 있기 때문이다.

현재 국가핵융합연구소와 KINS 관계자 등은 모두 "KSTAR는 '중수소' 핵융합을 위해 설계된 핵융합 장치"라고 한 목소리를 내고 있다. KSTAR는 '시설검사'가 완료된 후에도 중수소를 이용한 핵융합 실험만이 가능할 뿐, 방사선을 발생시키는 삼중수소 핵융합은 불가능하다는 것이다.

삼중수소 핵융합을 위해서는 무엇보다 KSTAR 본체와 주변시설 모두를 대거 교체해야 하기 때문이다. 단적으로 내부 설계변경과 차폐막 시설 구축 등 원자력발전소의 원자로를 규제하는 수준의 매우 강력한 안전조치가 취해져야 한다.

국가핵융합연구소 관계자는 "KSTAR는 핵융합 발전이 목표가 아니라 플라즈마를 이용한 핵융합을 연구하는 실험 시설"이라며 "다만 향후 25년의 가동기간중 마지막 단계에는 중수소와 삼중수소(D+T)를 이용한 핵융합 실험을 할 가능성도 있다"고 말했다. 애당초 KSTAR 설계단계부터 삼중수소 핵융합 가능성은 배제한 것이다.

우리나라가 공동 참여하고 있는 국제핵융합 연구사업인 '국제핵융합실험로 계획(ITER)'의 경우 원자력발전소 수준의 에너지를 만들어 낼 수 있는 중수소와 삼중수소 핵융합을 위한 연구시설로 제작될 예정이다.

과학계의 한 관련 인사는 "핵융합 발전의 기술적 가능성에 대해서는 세계적으로도 여전히 찬반양론이 팽팽하다"며 "ITER의 축소판인 KSTAR를 정부가 수 천억원을 들여 만들고도 정작 핵융합 에너지 발생에 필요한 삼중수소 핵융합 실험을 배제하고 있는 것은 전혀 앞뒤가 맞지 않다"고 지적했다.

플라스마 온도 섭씨 1억도 유지가 관건 ■핵융합 발전 실현 가능할까

핵융합을 통해 발전이 가능할까.

수소는 질량에 따라 질량이 1인 수소, 2인 중수소, 3인 삼중수소 등으로 재분류된다. 태양에서 일어나는 핵융합 반응은 수소 핵융합 반응이지만 지구상에서는 상대적으로 핵융합 반응이 잘 일어나는 중수소나 삼중수소를 사용한다.

우선 중수소와 삼중수소에 에너지를 넣어 고온으로 올린 뒤 전자를 원자핵에서 분리하는 이온화 작업을 한다. 중수소는 중성자를 하나 갖고 있어서 질량이 보통의 수소에 비해서 두 배 더 나간다.

삼중수소는 중성자를 둘 갖고 있어서 세 배 더 나간다. 그래서 삼중수소다. 중수소와 삼중수소를 토카막(초전도자석으로 된 핵융합장치)에 주입, 초전도 자석의 전류를 급격하게 변화시켜 플라스마를 만든다. 이때의 온도는 수백만도에 이른다.

플라즈마 상태의 중수소ㆍ삼중수소가 서로 충돌하면 중성자와 헬륨을 얻는다. 이때 생성된 중성자ㆍ헬륨의 질량의 합이 충돌 전의 중수소ㆍ삼중수소의 질량보다 작다. 질량차이가 에너지로 변환된다. 여기서 남은 질량이 변환된 에너지를 우리는 핵융합 에너지라 부른다.

이 에너지가 열 교환기에 물을 데우고 증기를 만들어 터빈을 돌리게 한다. 중성자의 운동에너지로 터빈을 돌리는 과정은 원자력발전과 동일하다. 핵융합 발전의 첫단계는 플라스마 상태에서 중수소와 삼중수소가 충돌하면 헬륨과 중성자가 생성된다. 이때 헬륨과 중성자의 질량 합은 중수소와 삼중수소의 질량 합보다 작다.

남은 질량은 작지만 변환된 운동에너지는 기하급수적으로 커진다. 그리고 이 운동에너지는 중성자를 열 변환기에 강하게 부딪치게 하고 열 변환기는 물을 끓여 발전 터빈을 돌려 전기를 만든다. 태양처럼 지구에서 핵융합이 일어나게 하려면 진공 상태의 핵융합로에서 플라스마의 온도를 섭씨 1억~수억도로 올려야 한다.

그러나 어느 나라에서도 그렇게 고온으로 올려 지금까지 10초대를 지속시킨 연구팀이 없는 실정이다. 상용 핵융합 발전을 하려면 1년 365일 이런 고온 상태가 지속돼야 한다. 우리나라 핵융합 실험로인 KSTAR는 이런 고온 상태를 300초, 국제핵융합실험로(ITER)는 500~1000초 정도 지속시키는 것을 목표로 삼고 있다.